应用于磁浮列车的直线型Halbach磁体结构的优化设计

对直线型Halbach永久磁体的结构进行了优化.通过改变磁块的长度、宽度和磁化矢量的方向,得到了更强的磁场强度.首先提出优化指标,优化磁块的长度,目的是用最少的磁块得到最强的场强;然后提出合理的磁块宽度的概念,以便得到较大的水平方向的磁场强度分量;其次提出Halbach磁体的偏离结构,进一步提高水平方向的磁场强度.最后通过制造的工程实验模型来验证优化设计,为磁悬浮列车工程化奠定基础.

直线型Halbach磁体和导体板构成的电动式磁悬浮系统的分析及实验

永磁和导体板构成的电动式悬浮系统轨道是导体板,磁体使用直线型Halbach型磁体,该系统悬浮力和磁阻力是导体板上产生的涡流和磁体的相互作用的结果。本文建立简化的二维模型,研究该悬浮系统的动态特性,从电磁场方程出发完备求解微分方程,推导悬浮力、磁阻力和浮阻比的解析表达式,并且和Ansoft计算结果以及实验结果进行对照。结果表明电动式悬浮系统二维分析模型是合理的,实验装置的设计制造也是合理的,这些对进一步研究电动式磁悬浮技术是很必要的。

直线型Halbach磁体和导体板构成的电动式悬浮系统的实验装置设计

永磁和导体板构成的电动式悬浮系统由导体板和直线型Halbach永久磁体构成,悬浮力和磁阻力是导体板上产生的涡流和磁体的相互作用的结果.研究了实验装置的结构,包括磁体和直流电机,测试、分解电磁力为悬浮力和磁阻力的机构,最后制造实验装置.实验和仿真的对比,说明力的解耦是成功的.这是永久磁体导体板悬浮系统工程化的第一步.

基于数值优化方法的Halbach磁体无源匀场方法研究

小型化的核磁共振谱仪由于其便携性的优势,成了当下核磁共振领域的研究热点.近年来,Halbach磁体在小型化核磁共振波谱仪领域得到了广泛应用.永磁体磁场的不均匀性对无源匀场方法提出了较高的要求.因此,本文基于机械可调的Halbach永磁体阵列结构进行了无源匀场研究.首先研制了由12个机械可调的磁块构成的Halbach磁体,并建立了磁块位置和磁场均匀性的最小二乘问题,随后利用了一种结合Levenberg-Marquardt法和拟牛顿法的优化算法,通过改变磁块的径向位置来优化磁场的均匀性.通过这种方法,成功将1.03 T的Halbach磁体中心区域(半径为2.5 mm)的均匀度从7391×10^(-6)提升到154.23×10^(-6).本文提出的匀场方法相对于传统的无源匀场方法更加灵活和简便,有望应用于核磁共振波谱仪和其他需要高磁场均匀度的仪器.

直线型Halbach阵列永磁悬浮装置研究

永磁悬浮装置具有悬浮高度大及稳定性高等优点,但也具有电磁阻力及能量损耗均较大等缺点.设计出一种直线型Halbach阵列永磁悬浮装置,给出了导体板及磁体阵列所需参数的确定方法;分析了所设计悬浮系统的运行特性,给出了:(1)悬浮力、磁阻力及浮阻比与速度的关系曲线;(2)悬浮力及磁阻力随悬浮高度变化曲线;(3)不同悬浮高度下,涡流损耗随速度变化曲线.最后,对悬浮系统的自稳定性进行了分析,给出了悬浮系统受干扰力作用时恢复稳态的作用机理.上述分析表明:所设计的永磁悬浮系统具有浮阻比大、电磁阻力及能量损耗均较小等优点.

基于直线型Halbach结构的永磁电动悬浮系统的设计与实现

以永磁电动悬浮在航天磁悬浮助推、弹目交会实验等军事领域的实际应用为背景,基于直线型Halbach结构永磁电动悬浮技术设计了一个永磁电动悬浮实验平台,选择金属转盘作为永磁电动悬浮系统的轨道形式,并对直线型Halbach结构永磁体的几何形状进行了优化设计。最后,通过相关的静态特性实验测试,验证了永磁电动悬浮系统的基本特性,通过分析其与理论计算存在差异的原因,讨论了相应的补偿修正方法。另外,动态特性的测试得到了系统的欠阻尼特性。

直线型涡流缓冲装置的设计

针对高速运动体缓冲制动的特点设计了一种直线型涡流缓冲装置.该装置利用涡流产生的阻尼力,对高速运动体进行非粘着制动.推导了缓冲力的理论计算公式,将理论计算结果同有限元计算结果进行对比,验证了理论公式的可用性.在缓冲装置中,采用Halbach阵列代替常规永磁体阵列,并对缓冲效果进行对比计算,表明采用Halbach阵列的涡流缓冲装置缓冲性能更优.该装置可有效避免常规缓冲制动过程中发生的物体接触、碰撞和磨损.

Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机的研究

为提高永磁直线电机的推力,介绍了Halbach磁体结构的基本工作原理,分析了采用Hal-bach磁体结构的磁体排列方式及磁体的磁化规律.并以一台永磁直线同步电机为例,确定了适合该直线电机的Halbach磁体结构形式,对比分析了不同磁体排列方式的永磁直线同步电机空载运行推力特性.分析结果表明采用Halbach磁体结构不仅可以改善气隙磁场分布、提高永磁直线同步电机的推力,而且可以减小永磁直线同步电动机的推力波动.因此将Halbach磁体结构应用于永磁直线同步电机中与常规永磁体结构的永磁直线同步电机相比具有很大的优越性.

直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究

磁浮列车采用涡流制动摆脱了机械制动中粘着系数对制动性能的制约。电磁涡流制动需要电能供应,存在电能损耗。永磁涡流制动由于不需供电故效率高。永磁Halbach磁体磁感应强度大于普通永磁磁体,且Halbach磁体具有自屏蔽性能,一侧拥有强磁场,另一侧磁场几乎为零。直线Halbach磁体用于磁浮列车涡流制动的研究,采用解析的方法分析其制动过程中的电磁机理,推导出涡流制动力方程。设计了一套实验系统,对制动力方程进行了验证,并对实验结果进行了分析。

改进式Halbach磁体结构直线电机设计与分析

提出了一种应用于低速直驱式波浪发电装置的无齿槽永磁直线发电机。为提高电机的气隙磁通密度与电能输出效率,采用T型和爪型两种改进式的Halbach永磁阵列结构。当为该无齿槽电机的初级部分设置相同的铁轭和绕组参数时,电机的永磁体部分采用普通Halbach永磁阵列结构、T型永磁体结构、爪型永磁体结构,对电机电磁特性进行对比分析。采用三维瞬态有限元法对电机在空载运行时的特性进行分析与计算。最后,通过采用Halbach永磁阵列结构的筒型直线电机进行实验和分析,验证了该电机模型的正确性和电机分析方法的有效性。所有分析结果表明该电机结构及分析方法可以用于直驱式运动电机的设计与分析方面的研究。

直线发电机Halbach充磁结构的改进研究

为改善传统Halbach充磁结构在直线发电机的非气隙侧产生漏磁,导致主磁通含量降低、功率密度变小和带负荷能力下降的问题,提出了在传统的Halbach充磁结构上进行改进,用于改善直线发电机的磁场分布。首先对传统矩形永磁体结构形状进行了改变,提出了梯形、T字形和U字形的Halbach充磁结构的变体,通过分析在不同尺寸下的磁通密度基波含量,从而找到各个变体的最佳设计尺寸。仿真结果表明,U字型Halbach充磁结构比其他几种结构对改善非气隙侧的漏磁作用更加明显,输出功率和效率均得到了提高。

磁浮列车工程中的Halbach永久磁体结构的优化

Halbach磁体结构是工程上理想结构的近似,故可予以优化设计.磁体结构优化的目标是用最少量的磁体产生最强的磁场.针对磁浮列车用直线型Halbach磁体,提出优化指标,得到磁体结构的优化结果(解析表达式),并用实验验证.该解析表达式对直线型Halbach磁体的工程应用具有意义,因为在减轻磁体重量同时提高磁场强度是磁浮列车的关键技术.

基于敏感度分层优化的Halbach永磁电机电磁振动分析

为解决内置式永磁同步电机径向电磁力引起的电磁振动问题,提出一种分段永磁体采用Halbach充磁方式同时转子开设辅助槽的电机拓扑结构。首先,对电机气隙磁密、径向电磁力、电磁振动原理进行推导与分析,并建立有限元模型。其次,提出基于电磁场和机械场耦合的电磁振动分析方案,对电机径向电磁力进行时间空间阶次傅里叶分解,在机械场中,分析电机定子在不同频率下的振动加速度幅值大小,并计算出定子各阶模态。在此基础上,基于响应面法和多目标遗传算法构建电机参数敏感度分层优化方案,并求得样本点帕累托前沿从而确定电机最优参数,将优化后的电机与普通V型内置式电机进行比较。最后,在机械场中仿真得到转子所受等效应力和总变形,验证得所提电机结构符合机械设计要求。分析结果表明:所提出结构电机在不损失电磁转矩的基础上,径向电磁力幅值大幅度降低,抑制了齿槽转矩,改善了气隙磁密和反电势的正弦度,在提高电机电磁性能的同时抑制了电磁振动的发生。

Halbach圆筒型永磁直线同步电机永磁体用量优化研究

本文提出一种减小径向充磁永磁体厚度的Halbach圆筒型永磁直线同步电机结构,在不降低平均推力的情况下减少永磁体用量,从而降低成本。首先,通过磁路法计算得到直线电机气隙磁密公式,分析了永磁体相关尺寸与气隙磁密的关系。应用有限元方法分析了电机分割比λ、径向充磁永磁体厚度Pr和径向充磁永磁体长度mr变化对电机气隙磁密、平均推力以及永磁体用量的影响。以最大平均推力为目标确定了电机尺寸,比较了传统Halbach TPMLSM与减小径向充磁永磁体厚度的Halbach TPMLSM的气隙磁密和推力。结果表明,减小径向充磁永磁体厚度的Halbach TPMLSM比传统Halbach TPMLSM永磁体用量降低了15.27%,平均推力提高1.07%。最后,通过样机测试对仿真分析进行验证。

Halbach磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(I)——磁体结构及有导磁铁心电动机的对比研究

Halbach磁体结构应用于电动机时与常规磁体结构相比具有很大的优越性,首先给出Halbach磁体结构电动机的磁体排列方式及磁体的磁化规律,然后以无齿槽有铁心电动机为例,对比分析Halbach磁体结构电动机和常规磁体结构电动机气隙磁密分布和电动机各部分磁通的差异,得出两种磁体结构电动机气隙磁密、磁通随永磁体厚度的变化规律。

HALBACH磁体结构电动机及其与常规磁体结构电动机的比较研究(II)——无导磁铁心电机的对比研究及样机实验

在第I部分对比分析有铁心HALBACH磁体结构电动机和常规磁体结构电动机的基础上,对比研究两种磁体结构电动机的无铁心型式,其中包括定子无铁心和转子无铁心,并分别与有铁心电动机比较,分析了磁体厚度变化对两种磁体结构磁密分布及磁通大小的影响。最后给出样机电动机的试验结果。

空心和Halbach永磁直线同步电机的牵引力和法向力分析

针对由空芯线圈和Halbach永磁结构组成的直线同步牵引电机,提出其牵引力和法向力的一种解析计算方法。首先从相同结构的旋转电机出发,推导得到其牵引力和法向力的解析计算公式;然后,将所得结果推广到直线电机结构,得到基于空芯线圈和Halbach永磁结构的直线同步电机牵引力和法向力的计算方法。所得解析解的有效性由有限元分析软件Ansoft Maxwell得到验证。此方法为基于空芯线圈和Halbach永磁结构的直线同步电机的结构设计和性能分析提供了基础。

圆筒型Halbach永磁单相直线发电机的设计与分析

为了提高海洋表面小波浪能量转换成电能的效率,提出了一种圆筒型Halbach永磁单相直线发电机的结构模型,采用有限元分析法对该永磁单相直线发电机的内部电磁场动态特性进行分析。根据分析电机结构参数对电机性能的影响,优化了电机齿槽结构。分析Halbach永磁体结构的充磁角度的不同对电机磁场性能和磁密曲线的影响。采用磁场能计算的方法对电机的定位力波动进行分析。最后,给出了电机在小波浪运行情况下的实验测试结果。分析和研究表明:圆筒型Halbach永磁单相直线发电机具有磁场正弦性高、定位力波动幅值小、能量转换效率高、结构简单、应用成本低等特点,在海洋波浪能发电领域具有较好的应用前景。

Halbach磁体中柱面匀场线圈的设计方法

Halbach磁体场强高、体积小,是永磁台式核磁共振波谱仪的理想磁源。为开发高分辨永磁台式核磁共振波谱仪,需要使Halbach磁体的磁场达到高度均匀。引入在超导磁体中被广泛使用的鞍型线圈,设计了一种由鞍型线圈组成、能够对Halbach磁体的横向磁场进行补偿的柱面匀场线圈。仿真和实验结果证明了设计方法的正确性。

Halbach磁体结构的外转子永磁电机设计分析

介绍了halbach磁体结构的优点,给出了基于halbach磁体结构的外转子永磁电机的基本模型。通过有限元分析,比较了halbach磁体结构与普通磁体结构的外转子永磁电机,验证了halbach磁体结构外转子永磁电机优越性,并提出其作为直接耦合风力发电机的可能性。